利用日变幅探索地磁变化与地球电导率的关系

利用日变幅探索地磁变化与地球电导率的关系

新疆是中强地震的高发区，但地磁观测站很少。只有乌鲁木齐和喀什的两个地磁站，距离1200公里。新疆地区使用多地磁数据进行联合分析的方法不能应用。因此，如何挖掘单台数据中包含的丰富信息尤为重要。乌鲁木齐地磁台连续观测20多年,观测精度高,资料质量好。从1980年至今乌鲁木齐周围发生了多次MS5地震(图1),因此可将资料与周围地震做一定的对比分析,探讨其地震地磁前兆信息。地球磁场按来源划分为外源场和内源场。外源场是来自外空电流体系产生的地球变化磁场;内源场主要部分是地球主磁场,其余部分是外源场的感应场。内源场的变化不仅与外源场的强度和分布有关,而且还取决于地球内部电导率的分布。可由已知外源场研究内源场及其地下电导率的关系。在地震孕育过程中,孕震区地下介质的物理性质会发生变化,其中包括地下电导率的变化。地球变化磁场垂直分量日变幅是地球变化磁场的外场及地球内部电性介质感应生成的变化内场叠加而成的,它的大小不但受外场的控制,同时也受内场的影响。地球内部电性介质的变化必定影响其感应生成的内场,因此地球磁场垂直分量日变化幅度可以反应地球内部介质电性性质的变化。统计发现,水平分量和磁偏角的日变形态受太阳扰动的影响较大,而垂直分量Z则较小,即使在干扰日,Z也能保持较有规律的形态,因此本文中利用乌鲁木齐垂直分量时均值计算日变幅来探索其与地震的相关关系。1地面磁场分布乌鲁木齐地磁台(北纬43.8°,东经87.7°,海拔970m)位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市东郊,离市区10km,处于博格达复背斜褶皱的西北翼。台基系三叠系砂岩、泥岩,上覆盖有4m厚的第四系黄土层,地下水位约22m,台站周围磁场均匀,地面磁场梯度每米小于1nT。台站使用的绝对观测仪器为Schmidt磁经纬仪和分量核子旋进式磁力仪,相对观测先后使用的是CB-3磁力仪和GM3三分量磁通门磁力仪。2日变幅和日变幅麻黄为了研究乌鲁木齐地磁垂直分量日变幅及其逐日比在周围较大地震前的特征,分别对日变幅以及日变幅逐日比法的计算结果进行了较详细的分析,并对二者之间进行了对比分析。2.1日变幅与高值异常的关系地磁场日变化是一种短期变化,主要受100km左右高空中的电离层电流体系控制,而这些电流体系又受太阳照射的控制。目前公认的看法是,当存在某一孕震区时,由于应力的作用,地下介质的物理特性如电导率等会引起改变,尤其在临震前失稳阶段。这种电导率的改变可引起变化磁场的改变,从而导致地磁场日变化的日变幅、相位或其形态的异常变化。因此我们利用乌鲁木齐垂直分量日变幅与周围地震进行对比分析,研究其前兆特点。我们将乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅结果绘于图2,由于1980年9月30日至10月1日的日变幅值太高(270nT),致使其他高值不明显,因此图件中将最高值取到136nT,图中未标注地名和震中距的是乌鲁木齐周围270km范围内大于或等于MS5.0地震。通过分析发现当日变幅出现高值异常后,周围地区常有中、强地震发生。为了较好地描述异常与周围地区地震的关系,通过总结多年的震例,将其异常判别标准定为:超过4倍均方差线(61nT)的算作1次异常,如两次异常间隔不超过40天的,也算作1组异常。在出现异常后的第20天到182天,与乌鲁木齐周围270km范围内大于或等于MS5.0地震对应或600km范围内大于或等于MS6.0地震对应。表1是将地磁Z分量日变幅与乌鲁木齐周围270km范围内MS5.0以上地震或600km范围内MS6.0以上地震对应进行了统计。结果表明,从1980~2004年共出现13次异常,其中有9次异常与地震对应,占69.2%;虚报4次,虚报率为30.8%。18次地震中的9次之前有明显异常,报准率为50.0%;漏报9次,漏报率50.0%。异常后进入预报时间段的,其中等待时间最短的为0天,等待时间最长的为182天,其R值评分为0.241,略高于具有97.5%置信水平的R值0.240,通过了R值评分检验。因此利用日变幅的高值异常来做半年预报有一定的预报效能。值得指出的是,利用地磁Z分量日变幅预报地震漏报多(9次)。但是漏报的9次地震中有7次都是地磁Z分量的日变幅长期变化中11年周期的谷底,这一时段的日变幅年均值较小,异常变化也随之减小,因而达不到4倍均方差线。表中第9行和第20行两组出现在震后33天内的异常之后都没有地震对应,这可能是震后效应引起的。在8.1级和7.9级地震日变幅没有明显的反应,只有斋桑7.3级地震前日变幅在1990年6月14日出现了高值异常,但是斋桑地震距离乌鲁木齐仅520km。我们认为日变幅高值异常反映的是较近的中、强地震,对震级大、震中距远的地震反应不好。1980年11月6日石河子5.7级地震是1980年至今在乌鲁木齐台200km范围内发生的最大的地震,且距离乌鲁木齐台仅94km,地震之前的异常幅度达到270nT。这说明异常幅度和震级、震中距可能有关。2.2关于地磁z分量日变幅用时发现的问题曾小苹等分析了地磁场垂直分量日变幅及其后极小值之比值与地震的关系,发现高比值与台站周边地震有良好的对应关系。在应用该法的过程中,冯志生等发现(1)式中这个简单比值的高值与台站周边的地震也有良好的对应效果。Y=A(t1)A(t2).(1)Y=A(t1)A(t2).(1)式中,A(t)为地磁垂直分量日变化幅度,t2=t1+1,t1为观测日期,本文中将Y取名为地磁垂直分量日变化幅度逐日比值。由于地磁场Z分量日变幅度A值是地磁场Z分量日变化各次谐波的叠加,并且以1~4谐波为主,因此,地磁场Z分量日变化幅度逐日比值受外场及其内场的影响与单一谐波项幅度逐日比相类似,即当其地下介质电阻率发生下降变化时,其比值将升高。而深部电阻率的下降变化可能是地震孕育过程中的一种伴生现象,因此,地磁Z分量日变化幅度的逐日比的上升有可能是地震发生的前兆。当然,地磁场Z分量日变化幅度逐日比值的升高也有可能仅仅是外场变化的结果。由于磁暴对Z分量日变化幅度的影响一般是突然增大,其后相对较缓慢的减少过程。因此,上述算法可以减小磁暴的影响。并且逐日比值通过前一天与后一天日变幅值比也可突出由于在长期变化中处于谷底被掩盖的异常。通过分析乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅逐日比值结果(图3,图中标注情况同图2),发现当日变幅逐日比值高值后,乌鲁木齐周围常有较大地震发生。为了较好地描述异常与周围地震的关系,通过总结多年的震例,将其异常判别标准定为超过5倍均方差线(4.1)的算作1次异常,如两次异常间隔不超过60天的,也算作1组(次)异常。在出现异常后的第12天到202天,与乌鲁木齐周围270km范围内MS5.0以上地震或600km范围内MS6.0以上地震对应。表2是将地磁Z分量日变幅逐日比值与乌鲁木齐周围270km范围内≥MS5.0以上地震或者600km范围内的6.0级以上地震对应进行了统计。结果表明,从1980~2004年的25年内共出现17次异常,其中有11组异常与地震对应,占64.7%;虚报6次,虚报率为35.3%。18次地震中的13次之前有明显异常,报准率为72.2%;漏报5次,漏报率27.8%。异常后进入预报时间段的,其中等待时间最短的为0天,等待时间最长的为190天,其R值评分为0.368,大于具有97.5%置信水平的R值0.241,通过了R值评分检验。因此利用日变幅逐日比的高值异常来做半年预报有较好的预报效能。从表2中的第9行可以看出1990年斋桑地震前在1989年10月21日出现了高值异常,但是超出预报时间30天,因此在表中该条异常算虚报,斋桑地震也算漏报。2001年8.1级大震前41天时乌鲁木齐Z分量日变幅逐日比出现高值异常,但是此次8.1级地震未在统计的空间范围内,因此第20行也算作虚报,但是这次8级地震距离乌鲁木齐仅860km,之前出现异常也是可以理解的,对于8级地震能引起多大范围、多大量级的异常还有待于今后进一步研究。2003年昭苏6.1级地震前在8月18日出现了高值(4.0),但未达到异常判别标准。2.3z分量日变幅异常与地震判据对比该台Z分量日变幅和日变幅逐日比与周围的中强地震的对应关系,可以看出从1980年到2004年日变幅共出现13次异常中有9次异常与地震对应,占69.2%,略高于日变幅逐日比异常后64.7%的对应率。但是地震前出现Z分量日变幅异常仅有50.0%,低于地震前出现Z分量日变幅逐日比异常的72.2%,相应其漏报率也较高。对比二者对应地震的时间发现(表3),出现重叠的预报时间的有8次,其中6次后有5级以上地震发生,占75%,发震时间都在二者共同的预报时段内。表中第8项中虽然二者均出现异常,但是在其共同的预报时段内未发生较大地震,但是异常出现时间在8.1级大震的前后,不能排除8.1级大震的影响。从表3的统计中也可看出,利用二者的重叠的预报时段,可以缩小预报地震的时间段,并且可以减少虚报。3日变幅东南角的对比1)总结出适合乌鲁木齐地磁台日变幅逐日比法的定量化判定标准和预报规则,分析后发现,其地震前兆特征比较明显,高值后与周围270km范围内的5级以上和600km范围内的6级以上地震对应较好,出现的17组异常中有11组异常后有地震对应,18次地震中的13次之前有明显异常,该方法的预报效果通过了具有97.5%置信水平的R值评分检验,表明具有较高的预报效能。日变幅逐日比法受人为因素、仪器因素和周边环境影响较小,异常判据(>4.1)长期固定,有利于今后工作中继续使用。2)从日变幅逐日比的结果来看,漏报的地震有5次,270km内的有3次地震漏报,均为5.0级地震,震级较小,但是和静及新源的5.0级地震前却有较明显的异常显示,这也许说明地震前兆的复杂性,某种前兆在某些地震前存在,而在其他一些地震之前没有。另外漏报的2次是昭苏6.1级地震和斋桑7.3级地震,这两次地震前有一定的异常显示,但没有达到判据标准。表2中的第5、19行都是在60天内由2次异常组成的1组异常,但是这2组异常后均无地震对应,连续出现异常后又无地震对应,这个问题还有待于今后进一步探索。3)利用乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅来预报地震,其预报效果虽然通过了具有97.5%置信水平的R值评分检验,但是漏报较多(50%),但是漏报中2/3的地震发生时间都处于地磁垂直分量的日变幅较小时段,异常幅度也相应不大,如果分析多年资料,这种小幅度的异常变化就会被日变幅较大时段的高值所掩盖,无法提取异常。日变幅逐日比一定程度上弥补了这一不足,因而效果较好。4)对比乌鲁木齐台地磁Z分量日变幅及其逐日比值结果发现,二者出现异常的时间并不完全一致,而且Z分量日变幅逐日比结果对应地震的效果明